Estimation des paramètres et des états de la machine asynchrone en vue du diagnostic des défauts rotoriques

UNIVERSITE MOHAMED KHIDER DE BISKRA
FACULTE DES SCIENCES ET DES SCIENCES DE L'INGENIEUR
DEPARTEMENT D'ELECTROTECHNIQUE

N° ordre :

Série :

Mémoire

Présenté pour obtenir le diplôme de Magister nouveau régime en
Electrotechnique

OPTION : Electricité industrielle
THEME
Estimation des paramètres et des états de la machine asynchrone en vue du
diagnostic des défauts rotoriques

par :
Samir MERADI
Soutenu le : 27/06/2007

Devant le jury :
Salah Eddine ZOUZOU	Prof.	Président	Université de Biskra
Abdelhamid BENAKCHA	M.C.	Rapporteur	Université de Biskra
Mohammed Saïd NAIT SAID	Prof.	Examinateur	Université de Batna
Ammar GOLEA	M.C.	Examinateur	Université de Biskra

Remerciements

Ce travail a été effectué au sein du département d'Electrotechnique de l'Université de Biskra sous la direction de Monsieur Abdelhamid BENAKCHA , Maître de conférences à l'Université de Biskra ainsi que Monsieur Arezki MENACER Chargé de cours à l'université de Biskra. Qu'ils trouvent ici l'expression de toute ma gratitude pour les conseils avisés et l'encouragement constant qu'ils n'ont cessé de me prodiguer tout au long de cette étude.

Mes remerciements les plus sincères sont adressés à Monsieur Salah Eddine ZOUZOU , Professeur à l'Université de Biskra , pour l'honneur qu'il m'a fait en acceptant la présidence du jury de ce mémoire.

Mes vifs remerciements vont aussi à Monsieur Mohammed Said NAIT SAID, Professeur à l'Université de Batna, je suis très honoré de sa présence dans le jury de ce mémoire.

J'exprime ma grande gratitude à Monsieur Ammar GOLEA , Maître de conférence à l'Université de Biskra, pour l'intérêt qu'il a porté à ce travail et pour avoir accepté de participer à ce jury .

Je remercie également Monsieur Said BARKATI chargé de cours à l'Université de M'Sila et Monsieur Dr.Khelifa BENMANSOUR, pour leurs collaborations et conseils.

Je ne saurais terminer sans remercier chaleureusement mes amis : A. Benaissa, M. Rezig, F. Benamor, N. Bouali,

Durant ces deux années , les membres administratifs et techniques du département et du laboratoire ont toujours su répondre présent à mes nombreuses sollicitations. J'ai particulièrement apprécié leur disponibilité, leur sympathie, et leurs compétences. Qu'ils reçoivent toute ma gratitude.

Tous ceux qui ont contribué de près ou de loin à l'élaboration de ce travail, trouvent ici l'expression de ma très vive reconnaissance.

A ma mère, à la mémoire de mon père ,

A mon épouse , A mes filles Meriem et Khadija ,

A mes frères : Messoud, Salah et Kamel et soeurs : Saliha et Hayette, A^ó tous mes amis, Rachid, Elkier, Kamel, Messoud , Farouk,

Notations et Symboles

Symbole Unité Définition

T Induction magnétique créée dans

Bsm l'entrefer par le courant statorique

Cem N · m couple électromagnétique

u 0 H. m^-1 Perméabilité magnétique du vide

courants rotoriques de la machine dans I sm le repère fixe

N s Nombre de spires statoriques par phase

N r Nombre de barres rotoriques

e m Entrefer

Ids , Iqs A Composantes biphasées du courant

statorique direct et en quadrature

m Phase

Ö psm Flux principal

Lsp H Inductance propre statorique

Lsc H inductances cycliques statorique

H mutuelle inductance cyclique entre

Msr stator et rotor

nombre de paires de pôles de la P machine

p opérateur de Laplace

? Résistance totale de l'anneau de court-

Re circuit

R_s ? résistances d'une phase statorique

t s temps

Rbk ? Résistance de la barre k

s constante de temps en boucle fermée de

Ti la régulation du courant stator

T_r s constante de temps rotorique

H Inductance totale de l'anneau de court-

Le circuit

H Mutuelle inductance entre barres

Mrr rotoriques

Vsabc V Les tensions statoriques

Vs _d , Vs q V tensions statoriques de la machine dans

le repère tournant dq

L r c H Inductance cyclique rotorique

Ö rk Wb Flux magnétique crée par une maille

rotorique

Ösabc Wb Les flux statoriques

Örd , Örq Wb flux rotoriques de la machine dans le

repère tournant dq

Wb Flux magnétique par pôle crée par le

Ös courant statorique

Ébk A Courant dans la barre

Érk A Courant dans la boucle

Ö _ds , Ö qs Wb flux statoriques de la machine dans le

repère tournant dq

ó coefficient de dispersion

? rad · s^-1 vitesse angulaire de rotation

rad · _s-1 vitesse de rotation électrique de la

ù machine

( ù )ref rad · s^-1 vitesse de référence

ù _s , ù r rad · s^-1 pulsations des courants stator et rotor

C_r N · m Couple résistant

f N · m · s · rad^-1 coefficient de frottement visqueux

J kg · m^-2 inertie des parties tournantes

Kd, Td Coefficients du régulateur du

courant sur l'axe d

KP , KT coefficients d'un correcteur de type

PT

Kq, Tq Coefficients du régulateur du

courant sur l'axe q

Te s Période d'échantillonnage

t_r s temps de retard

Angle électrique entre deux mailles

á rotoriques

è position du rotor

ô s constante de temps

ô ₁ , ô 2 s

constantes de temps des régulateurs de courant, de vitesse

ô e s constante de temps électrique

? flux créé par l'excitation

ù rad · s^-1 pulsation du réseau d'alimentation

Introduction générale

Les machines électriques tournantes occupent une place prépondérante dans tous les secteurs industriels. Les machines asynchrones triphasées à cage d'écureuil sont les plus fréquemment utilisées grâce a leur robustesse, leur simplicité de construction et leur bas coût. Néanmoins, celles-ci subissent au cours de leur durée de vie un certain nombre de sollicitations externes ou internes qui peuvent les rendre défaillantes. Les contraintes industrielles en fiabilité, maintenabilité, disponibilité et sécurité des équipements sont par ailleurs très fortes. C'est pourquoi le monde industriel est fortement intéressé par un ensemble de techniques permettant de déterminer l'état de santé de ces machines.[1]

Plus généralement, la surveillance et le diagnostic en génie électrique remettent en cause les concepts et les outils traditionnels utilisés en conception et commande des machines électriques tournantes. La modélisation des machines asynchrones triphasées a cage d'écureuil en vue de la surveillance et du diagnostic s'insère dans ce contexte. Le présent travail s'intéresse a la synthèse d'un modèle de connaissance riche et flexible permettant d'appréhender le comportement des machines asynchrones triphasées a cage d'écureuil en absence et en présence de défaillances ainsi que l'estimation des paramètres et des états de la machine asynchrone en vu de détection des défauts rotoriques en utilisons le filtre de Kalman étendu.

.

Ce mémoire sera divisé en six chapitres :

Le premier chapitre permettra d'apporter quelques éléments de diagnostic des machines asynchrones triphasées a cage d'écureuil. Le diagnostic consiste a connaître, évaluer, prévoir, mesurer et maîtriser les défaillances des systèmes. Apres une description des motivations de cette nouvelle science de l'ingénieur, on présente les différents concepts terminologiques et méthodologiques associes. Suite a ces considérations générales, on est amène a préciser le système étudie ; on se concentre ici exclusivement sur les machines asynchrones triphasées a cage d'écureuil. Puis on a présenté l'état de l'art concernant les techniques et les différents travaux réalisés dans le domaine du diagnostic en ligne en vue d'aboutir à une signature fiable de défauts rotoriques.

Lorsque les méthodes de surveillance et de diagnostic sont basées sur la génération, la détection et l'exploitation de signatures analytiques de défaillances, elles nécessitent l'emploi de modèles de connaissance du système étudie. En conséquence, on oriente l'étude vers la modélisation des machines asynchrones triphasées a cage d'écureuil en vue de la surveillance et du diagnostic. Les objectifs du modèle devant être synthétise sont alors clairement spécifies.

Le deuxième chapitre constitue la pierre angulaire du présent travail. Dans lequel nous avons modélisé la machine asynchrone à cage d'écureuil en choisissant l'approche analytique globale basée sur la signature des grandeurs externes telles que (courant, couple,...etc.), pour cela, nous avons utilisé un schéma multi enroulement équivalent à la cage qui s'adapte bien au problème posé et où les équations sont écrites dans un référentiel lié au rotor, vu que les défauts envisagés se situent à son niveau.

Puis, nous avons fait la transformation du modèle de Nr grandeurs au modèle dq équivalent, pour faciliter sa simulation.

triphasées a cage d'écureuil. Le premier chapitre a permis d'identifier clairement ces défaillances, leurs causes et leurs effets. On remarque notamment que les modes de défaillances rencontrées impliquent majoritairement une altération topologique des machines asynchrones triphasées a cage d'écureuil sous les formes suivantes : court-circuit et rupture des conducteurs statoriques, rupture des conducteurs rotoriques, excentricité statique, dynamique, ou mixte du rotor par rapport au stator. Ici nous avons présenté les différents résultats de simulation de la machine avec défauts;à vide et en charge. Nous avons fait l'analyse spectrale pour le courant statorique, pour faire révéler les défauts des cassures des barres, par des harmoniques.

Le quatrième chapitre est consacré à la présentation de la commande par flux orienté de la machine asynchrone alimentée en courant en absence et en présence des défauts au rotor.

Le cinquième chapitre consiste à estimés et à observer les courants et les résistances rotoriques afin de détecter les défauts rotoriques, en appliquant l'observateur à base de modèles paramétriques ; le filtre de Kalman étendu.

Dans l'approche à base de modèles paramétriques, on ne génère pas réellement un vecteur de résidus, mais on estime un vecteur de paramètres dont la variation à l'extérieur d'une plage de référence représente l'apparition d'un défaut dans le système surveillé (ou plus exactement représente un changement dans les caractéristiques du procédé). Cette variation peut alors être détectée à l'aide d'un test de décision dans l'espace paramétrique. [31]

Le dernier chapitre de ce mémoire comporte les concepts de la logique floue et nous fournirons tous les aspects méthodologiques nécessaires à la compréhension des systèmes flous.

Nous verrons comment intégrer cet outil à la commande des systèmes dynamiques pour en faire un contrôleur dans le quatrième chapitre. Les étapes de synthèse puis l'application de la commande floue à la machine asynchrone sont présentées et nous analyserons aussi les performances de ce type de contrôle. Ce chapitre explique aussi comment un contrôle flou peut être réalisé. On y décrit les blocs fondamentaux ( fuzzification, moteur d'inférence, défuzzification) et la méthodologie de leur conception.

On dit souvent que la commande floue est plus robuste. Pour cela on va appliquer le régulateur flou dans la commande vectorielle sur le modèle réduit de la machine asynchrone, pour voir l'influence des défauts rotoriques sur cette commande.

Une conclusion générale vient clôturer les six chapitres de ce mémoire. Une proposition pour les travaux futurs est également donnée.